2021 Fiscal Year Research-status Report
Study of fast charging/discharging mechanism at room temperature in multivalent ion batteries using carbon nanocomposite
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21K14711
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
沖田 尚久 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70846625)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 多価イオン電池 / 正極材料 / カーボン複合体 / 欠陥・空孔形成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ポストリチウムイオン電池として期待される多価イオン電池において、室温での動作および高速充放電化を達成したカーボン複合体をモデル材料に、その要因を明らかにすることで、リチウムイオン電池用電極材料を多価イオン電池用電極材料に転換するための材料設計指針を得ることを目的としている。
2021年度は、マグネシウムイオン電池において、室温動作化・高速充放電化に成功したリン酸鉄リチウム内包型カーボン複合体正極をモデル材料に、その要因について解明することを目指し、充放電メカニズムについて検討を行った。In-situによるX線回折(XRD)、X線吸収超微細構造解析(XAFS)などの結晶構造解析により、リン酸鉄リチウム内包型カーボン複合体では、マグネシウムイオンの拡散に有利な欠陥構造を含んでいることが明らかとなった。この欠陥構造によりマグネシウムイオン電池として室温での動作および高速充放電化を達成したことを見出した。
また、リン酸鉄リチウムよりもイオン拡散性に優れる結晶構造を有するリン酸バナジウムリチウムにおいてもカーボン複合体を合成し、マグネシウムイオン電池への展開と、電気化学特性の評価および充放電メカニズムの解明を検討した。リン酸バナジウムリチウム/カーボン複合体においても、マグネシウムイオン電池として室温動作・高速充放電することが確かめられた。XRD、XAFSなどの結晶構造解析と電子顕微鏡観察により、リン酸バナジウムリチウムはリン酸鉄リチウムの場合とは異なり、内包型の構造でなくともカーボン材料と強く接合しており、その接合面で歪みや欠陥が生じていることが明らかになった。この歪み・欠陥によって、リン酸バナジウムリチウムの結晶構造内におけるマグネシウムイオンの拡散性が向上し、室温動作化・高速充放電化を実現したことを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
マグネシウムイオン電池において室温動作・高速充放電が可能な正極材料として、リン酸鉄リチウム内包型カーボン複合体のみならず、リン酸バナジウムリチウム/カーボン複合体の創製に成功した。また、結晶構造解析および電子顕微鏡観察により、カーボン材料と複合化させることで形成される歪み・欠陥によってマグネシウムイオンの拡散性が向上していることが示唆された。この歪み・欠陥の生成量を制御するために異種元素固溶の検討や、歪み・欠陥構造が電気化学特性へ与える影響の定量化にも着手し始めており、本研究は当初計画の通り、おおむね順調に進展しているものと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は、マグネシウムイオンの拡散に有利な歪み・欠陥の生成量が制御されたカーボン複合体の創製と、歪み・欠陥の構造が電気化学特性へ与える影響の定量化を行うことを目指す。歪み・欠陥の生成量の制御には、カーボンとの複合化の条件検討に加え、異種元素固溶を検討する。また、in-situ XRDやin-situ XAFSなどのその場での結晶構造解析と、電気化学インピーダンス測定などの電気化学試験を組み合わせることで、充放電中の結晶構造変化とマグネシウムイオンの拡散性の関連性について定量的な評価を行う。
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| Causes of Carryover |
感染症の社会情勢に伴い、旅費等に関する計画が大きく変更されたため、次年度使用額が生じた。また、電池部材および測定装置について、当初の予定より低価格で購入が可能となったため、必要とする費用が当初計画よりも少ない結果となった。
次年度では、電池部材・合成試薬・電解液の購入や装置の補修費に充てる予定である。
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